GIAO VA HUONG DAN BAI TAP TTS chuong 2 60baiTA

Các bộ mã hoá lai là sự kết hợp của hai phương pháp mã hoá trên, trong đó mô hình lọc tổng hợp tiếng nói thì tương tự như đối với mã hoá nguồn phát thành còn tín hiệu kích thích lại được

CHƯƠNG 2

Kỹ thuật mã hóa thông tin 2.1 Tóm tắt lý thuyết

Chương này thể hiện các kỹ thuật mã hoá và giải mã thông tin thể hiện ở các khối thứ 2, 3, 4 trong sơ đồ hình 1.8 Khối 2 là mã hóa nguồn tin với chức năng chính

là chuyển đổi thông tin tương tự (như tiếng nói, biểu diễn bằng tín hiệu tương tự) thành thông tin số (biểu diễn bằng các bít 0, 1) Khối 3 là mật mã hóa nguồn tin theo một khóa xác định nào đó nhằm bảo mật tin tức của nguồn Khối 4 là mã kênh (hay còn gọi là mã sửa lỗi trước FEC) nhằm mã hóa thông tin số theo một quy luật nào đó

để phía thu có thể nhận biết hoặc sửa được một số lỗi do truyền thông tin trên kênh truyền gây ra

Thuật toán của mã hoá nguồn có thể được xem xét thông qua dạng tiêu biểu của

nó là mã hoá tiếng nói (biến đổi tín hiệu thoại tương tự thành tín hiệu số) Các bộ mã hoá tiếng nói chia làm 3 loại chính đó là: bộ mã hoá dạng sóng, bộ mã hoá nguồn phát thanh và bộ mã hoá lai

Nội dung của mã hoá dạng sóng là dạng sóng của tín hiệu tiếng nói liên tục được rời rạc hoá nhờ lấy mẫu và sau đó số hoá nhờ mã hoá nhị phân các giá trị đại diện cho mức của các mẫu dạng tiếng nói Các phương pháp mã hoá dạng sóng tiêu biểu là diều chế mã xung PCM có cơ sở là định lý lấy mẫu

Cơ sở của phương pháp mã hoá nguồn phát thanh là việc phân tích cơ quan giọng nói của con người và quá trình tạo ra âm thanh tiếng nói Cơ quan phát thanh của con người bao gồm thanh huyền, hộp cộng hưởng, môi và lưỡi hình thành từ khoang miệng và mũi Thanh huyền tạo ra các rung động khác nhau của luồng khí và với sự kết hợp biến đổi của môi và lưỡi, hộp cộng hưởng cũng biến đổi nhờ có các âm thanh được tạo ra khác nhau Được mô hình hoá bởi 1 xung hoặc chuỗi xung và một mạch lọc có tham số biến đổi

Mã hoá nguồn phát thanh là việc mã hoá các thông số kích thích và lọc của mô hình tiếng nói trên thành các tín hiệu số

Thay vì truyền đi các chuỗi bit mã các giá trị mẫu dạng sóng tiếng nói như trong phương pháp mã hoá dạng sóng, các chuỗi bit mã thông số của mô hình tạo tiếng nói được truyền đi trong phương pháp mã hoá nguồn phát thanh Tiếng nói được tái tạo lại

ở phần thu nhờ các mạch điện tử thực hiện tổng hợp tiếng nói dựa trên các thông số kích thích và lọc nhận được

Một trong các bộ mã hoá tiêu biểu cho phương pháp mã hoá nguồn phát thanh

là bộ mã hoá dự đoán tuyến tính LPC

Các bộ mã hoá lai là sự kết hợp của hai phương pháp mã hoá trên, trong đó

mô hình lọc tổng hợp tiếng nói thì tương tự như đối với mã hoá nguồn phát thành còn tín hiệu kích thích lại được mã hoá một cách hiệu quả bằng kỹ thuật mã hoá dạng sóng

2.1.1 Kỹ thuật mã hóa nguồn

* Phân loại mã hoá tiếng nói

Hình 2.2: Phân loại các kỹ thuật mã hóa tiếng nói

Kỹ thuật mã hoá PCM

Nguyên tắc cơ bản của PCM:

Điều chế xung mã PCM được thực hiện theo 1 qui trình 4 bước có nguyên tắc như sau:

Bước 1: Lọc nhằm hạn chế phổ tần của tín hiệu liên tục cần truyền (nhằm thoả mãn tiên đề về băng tần hạn chế của định lý lấy mẫu)

Bước 2: Lấy mẫu tín hiệu thoại là quá trình rời rạc hoá tín hiệu liên tục bằng chuỗi xung nhịp có tần số f theo định lý lấy mẫu để có được các tín hiệu điều biên xung (PAM)

CÁC BỘ MÃ HOÁ TIẾNG NÓI

CÁC BỘ MÃ HOÁ DẠNG SÓNG CÁC BỘ MÃ HOÁ NGUỒN PHÁT THANH

MIỀN THỜI GIAN MIỀN TẦN SỐ LPC HYBRID VOCODER

KHÔNG VI SAI VI SAI

Theo định lý lấy mẫu Nyquist: tín hiệu có băng tần hạn chế nhờ bộ lọc thồn thấp có thể được đặc trung chính xác bởi các trị số lấy mẫu, khoảng cách giữa các trị

số này không được vựot quá 1 nửa chu kỳ của tần số cao nhất của tín hiệu: f lm  2f max

(Ts  Tmin/2)

fmax: tần số lớn nhất của tín hiệu

f lm : tần số lấy mẫu tín hiệu

Ts: gọi là khoảng cách Nyquist và là khoảng cách thời gian dài nhất được dùng

để lấy mẫu tín hiệu có băng tần thấp bị hạn chế và vẫn cho phép khôi phục lại tín hiệu

mà không bị méo

Bước 3: Lượng tử hoá biên độ: Chia biên độ của xung lấy mẫu thành các mức

và lấy tròn biên độ xung (PAM) đến mức gần nhất

Lượng tử hoá đều

Lượng tử hoá được thực hiện đơn giản nhất bằng cách chia biên độ thành những khoảng bằng nhau( [-a, +a] thành Q mức, khoảng cách giữa các mức lượng tử là Bước lượng tử (đều bằng ) Sau đó các mẫu tín hiệu (các xung PAM) được làm tròn thành gía trị mức lượng tử gần nhất

Lượng tử hoá không đều

Lượng tử hoá không đều dựa trên nguyên tắc: khi biên độ tín hiệu càng lớn thì bước lượng tử càng lớn còn với các mức tín hiệu nhỏ thì khoảng cách giữa các mức lượng tử chọn nhỏ

Như vậy muốn lượng tử hoá không đều có thể sử dụng luật nén Luật nén được

áp dụng trong điều chế PCM tín hiệu thoại là luật nén logarit Trong đó tín hiệu lối ra y của mạch nén biến thiên theo luật logarit của tín hiệu lối vào x ở phần thu tín hiệu được giãn trở lại Có hai phương pháp nén giãn: analog và Digital:

Bước 4: Mã hoá 1 xung đã lượng tử hóa thành từ mã m bit (hay ứng với mỗi một mức lượng tử (mà xung PAM được làm tròn đến) thì sẽ có một từ mã m bít tương ứng)

Trong trường hợp lượng tử hóa đều: m = log2(Q), trong trường hợp không đều

(luật A và ) thì m = 8bít (đặc trưng bởi: P XYZ ABCD)

- Băng tần của PCM: Độ rộng băng tần B  (tốc độ truyền các ký hiệu )/2

- Tốc độ truyền ký hiệu PCM là  = số bít của từ mã m x tần số lấy mẫu fLM

- Số bít nhị phân m trong từ mã PCM = log2Q

Điều xung mã vi sai (DPCM)

Xuất phát từ nghiên cứu: các tín hiệu lấy mẫu kề trước và kề sau thường gần giống nhau nên sai lệch về biên độ giữa hai mẫu kề nhau thường nhỏ hơn giá trị biên

độ của từng mẫu: S n+1 – S n < min(S n+1 ,S n )

Phương pháp DPCM đã được nghiên cứu và sử dụng ý tưởng này trong đó việc biến đổi tín hiệu vẫn gồm 4 bước như trong PCM, nhưng tín hiệu sau lấy mẫu sẽ được

so sánh với mẫu trước đó, kết quả so sánh sau đó mới được lượng tử hóa và mã hóa Như vậy, DPCM chỉ truyền đi độ chênh lệch giữa các mẫu cạnh nhau đã được mã hoá,

và kết quả là cần số bít cho mã hóa là ít hơn PCM

Từ mã trong DPCM là 7 bít trên một mẫu, tốc độ bít giảm còn 56kbps

Điều xung mã vi sai có bộ dự đoán DPCMp

Do tiếng nói của con người biến đổi chậm, nghĩa là có sự tương quan lớn với nhau, vì vậy từ một số mẫu trước đó ta có thể dự đoán (ước lượng) gần đúng giá trị mẫu tiếp theo

Trong kỹ thuật điều chế xung mã vi sai có bộ dự đoán vẫn có 4 bước, tín hiệu tương tự sau khi qua bộ lọc thông thấp và lấy mẫu, chênh lệch giữa xung lấy mẫu

tương tự x n và tín hiệu dự đoán lấy từ đầu ra bộ dự đoán được đưa vào lượng tử và

mã hóa Độ chênh lệch giữa xung lấy mẫu vào và tín hiệu đầu ra dự đoán đã lượng tử

là sai số e n Đại lượng này được xác định như sau: e n x n xˆ~n Đầu ra của bộ lượng tử hoá là trị số lượng tử của sai số này Nó được mã hoá thành từ mã nhị phân và được truyền đi

Trị số dự đoán của mẫu tiếp theo có được nhờ ngoại suy từ p giá trị mẫu

trước đó: 







p i

i n i

n a x

x

0

~

i: các hệ số trọng số của thuật toán dự đoán, được lựa chọn một cách thích hợp

Phần tử được sử dụng rộng rãi trong thực hiện bộ dự đoán là bộ lọc giàn bao gồm các đoạn dây giữ chậm T (là khoảng cách giữa các mẫu) và mạng kết hợp trọng

số

Điều xung mã vi sai tự thích nghi (ADPCM)

Các thuật toán được phát triển theo điều xung mã vi sai khi mã hoá tín hiệu tiếng nói bằng cách sử dụng bộ lượng tử hoá và bộ dự đoán tự thích nghi, trong đó các hệ số này thay đổi có chu kỳ để phản ánh thống kê của tín hiệu vào Hơn nữa, truyền các hệ

số dự đoán đến máy thu, và như vậy làm tăng số bít truyền và tốc độ bít, bộ dự đoán thu tính các hệ số riêng của mình

Nói cách khác, điều xung mã vi sai tự thích nghi (ADPCM) hoạt động dựa bộ lượng tử hoá tự thích nghi và bộ kết hợp trọng số thích nghi (giá trị ai thay đổi thích nghi) Bộ lượng tử hoá tự thích nghi thay đổi bước lượng tử của nó phù hợp với phương sai của các xung lấy mẫu tín hiệu đi qua Bộ kết hợp trọng số thích nghi chính

là thay đổi giá trị ai trong bộ lọc giàn để sai số dự đoán là nhỏ nhất (thay đổi thích nghi)

Điều chế Delta (DM)

Điều chế Delta là một loại điều chế xung mã vi sai (DPCM) trong đó mỗi từ mã chỉ có một bít nhị phân Với dạng sóng tương tự đầu vào x(t) không lấy mẫu Sóng này

so sánh với sóng bậc thang xn Tín hiệu chênh lệch en được lượng tử hoá thành hai mức

 phụ thuộc vào dấu của sự chênh lệch và đầu ra của bộ lượng tử hoá hoặc bộ hạn chế hai trạng thái Tín hiệu chênh lệch đã lượng tử en sau đó được lấy mẫu để tạo ra các xung có biên độ bằng 

Mã hóa nguồn phát thanh - Mã hoá dự đoán phân tích bằng tổng hợp tiếng nói

Cấu trúc cơ bản của mô hình hoá tiếng nói phân tích bằng tổng hợp được trình bày trên hình 2.24 Mô hình gồm ba phần chính

+ Phần thứ nhất là bộ lọc tổng hợp

+ Phần thứ hai của mô hình là bộ tạo kích thích Bộ tạo kích thích là mạch tạo dãy xung có thông số biến đổi, cho ra dãy kích thích cấp vào bộ lọc tổng hợp để tạo ra tiếng nói tái tạo (tiếng nói tổng hợp)

+ Phần thứ ba của mô hình là mạch tối thiểu sai số và tiêu chuẩn được sử dụng trong tối thiểu hoá sai số

Thủ tục mã hoá bao gồm hai bước: trước hết, thông số của bộ lọc tổng hợp được xác định từ các mẫu tiếng nói (10-30 ms tiếng nói) ngoài mạch vòng tối ưu hoá Thứ hai, dãy kích thích tối ưu với bộ lọc này được xác định bằng cách tối thiểu hoá sai số được tính trọng số

Các tham số của bộ lọc và kích thích được lượng tử hoá và được gửi về phía thu Thủ tục giải mã là cho tín hiệu kích thích đã được giải mã qua bộ lọc tổng hợp có thông số được đặt theo thông số lọc thu được để tạo ra tiếng nói khôi phục (tiếng nói tổng hợp được)

2.1.2 Mã thống kê tối ưu

Nguyên tắc cơ bản của mã thống kê tối ưu là dựa trên cơ sở độ dài từ mã ni , tỷ

lệ nghịch với xác suất xuất hiện pi (p(ui)) Nghĩa là các từ mã dài sẽ dùng để mã hóa cho các tin có xác suất xuất hiện nhỏ và ngược lại

Các loại mã thống kê: Mã thống kê Fano –Shanon; Mã Huffman

2.2 Các dạng bài tập (có hướng dẫn giải)

Câu 2.1: Cần truyền một tín hiệu tương tự qua mạng thông tin số Biết:

- Tín hiệu tương tự có các thành phần phổ nằm trong băng tần từ 300 ÷3000 Hz

BỘ TẠO

KÍCH THÍCH

(các)BỘ LỌC TỔNG HỢP

LỌC TRỌNG

SỐ SAI SỐ

TỐI THIẺU HOÁ SAI SỐ

Tiếng nói gốc lối vào

a) Bộ mã hoá tiếng nói dự đoán phân tích bằng tổng hợp

BỘ TẠO

KÍCH THÍCH

(các)BỘ LỌC TỔNG HỢP

Tiếng nói tổng hợp b) Bộ giải mã

Hình 2.22: Mô hình tổng quát bộ mã hoá LPC phân tích bằng tổng hợp

- Dải biên độ của tín hiệu là Umin  Umax là từ: 0 (mV) đến 70 (mV)

- Hệ thống sử dụng Bộ chuyển đổi AD với 10 bit tuyến tính

Hãy: - Xác định kích thước bước lượng tử?

- Để giảm số bit trong một từ mã có thể sử dụng kỹ thuật lượng tử hóa phi tuyến theo luật A, tính hệ số nén hoặc dãn tín hiệu của kỹ thuật này?

- Tính tốc độ bít và độ rộng băng tần tối thiểu thực tế của kênh để truyền tín hiệu trên?

- Hãy xác định chuỗi bít của các mẫu tín hiệu sau: 15mV

Hướng dẫn giải:

Số bít mã hoá là 10 bit tìm 

- Số mức lượng tử:

10

2

2 

 b Q

10

70

U U mV

mV Q



- Hệ số nén dãn được tính như sau: (1đ)

) ( 4 2

2 2

2

8 10

hituyen muclomgtup

tuyentinh mucluongtu

K

b





Tính độ rộng băng tần tối thiểu thực tế

-Tính tốc độ bít: v=b.f lm

f lm = 2f max = 2.3kHz = 6kHz

b=10bit

v = 6000.10=60000 bit/s =60 Kbit/s

- Tính độ rộng băng tần:

B=v/2= 30KHz

Nội dung chuỗi bít của mẫu: 15mV

- Xác định mức lượng tử ứng với 15mV (Q15mV): 10 15 0 1 15 1 219

0, 068

Q      



Lấy phép chia mức Q15mV với 2 lấy phần dư (Q15mV mod 2) ta được:

0011011011

Câu 2.2: Cần truyền một tín hiệu tương tự qua mạng thông tin số Biết:

- Tín hiệu tương tự có các thành phần phổ nằm trong băng tần từ 200 ÷ 4000 Hz

- Dải biên độ của tín hiệu là Umin  Umax là từ: 0 (mV) đến 102 (mV)

- Hệ thống sử dụng Bộ chuyển đổi AD với sai số cho phép là: 0,05 (mV)

Hãy: + Xác định kích thước bước lượng tử, số bit mã hoá cần dùng?

+ Để giảm số bit trong một từ mã có thể sử dụng kỹ thuật lượng tử hóa phi tuyến theo luật , tính hệ số nén hoặc dãn tín hiệu của kỹ thuật này?

+ Tính tốc độ bít và độ rộng băng tần tối thiểu thực tế của kênh để truyền tín hiệu trên?

+ Hãy xác định chuỗi bít của các mẫu tín hiệu sau: 15mV

Hướng dẫn giải:

- Sai số lớn nhất là 0,05mV, tìm kích thước bước lượng tử  và tìm số bít mã hoá b, và hệ số nén giãn k

-Kích thước bước lượng tử: được xác định thông qua sai số lớn nhất

mV

05

,

0





 ; cho nên ta có = 2 x 0,05 = 0,1 mV

0,1

U U

Q       muc



Vì: Q = 2b nên b = log2Q = log21021  10 (bít)

- Hệ số nén dãn được tính như sau:

) ( 4 2

2 2

2

8 10

hituyen muclomgtup

tuyentinh mucluongtu

K

b





- Tính độ rộng băng tần tối thiểu thực tế

-Tính tốc độ bít: v=b.flm

flm= 2fmax= 2.4kHz = 8kHz b=10bit

v = 8000.10=80000 bit/s =80 Kbit/s

- Tính độ rộng băng tần:

B=v/2= 40 KHz

- Truyền một mẫu có biên độ 15 mV, nội dung chuỗi bít)

- Xác định mức lượng tử ứng với15 mV (Q15mV):

15 min 15

15 0

0,1

U U

Q       



Lấy phép chia mức Q15mV với 2 lấy phần dư ta được: 0010010111

Câu 2.3: Giả sử có một tín hiệu có biên độ x= 25mV, biên độ lớn nhất xmax = 200mV

Sử dụng luật nén A với A = 87,6 Hãy xác định giá trị bít theo luật nén này (bít P XYZ ABCD)? Biết:

Hướng dẫn giải:

X0 = x/xmax = 25/200= 0,125

>> P = 1 (nửa dương)

=1 + ln[ ]

1 + ln[87,6 ∗ 0,125]

3,39 5,47 = 0,619 y(0,5 ÷ 0,625) >> XYZ = 100

(0,625 - 0,5) = 0,125; chia 16 mức (15 bước) = 8,33.10-3 ;

Có : 14.0,00833 + 0,5 = 0,61662

Và : 15.0,00833 + 0,5 = 0,625

Làm tròn lượng tử hóa = mức 15 (14 bước lượng tử) >>> ABCD = 1111

Vậy : P XYZ ABCD = 1 100 1111

 





























1 /

1 ln

1

ln

1

/ 1 0

ln

1

X A A

X A

A x A

AX

y

2.3 Các vấn đề về thảo luận, thực hành, thí nghiệm

2.4 Bài tập sinh viên tự làm

2.1 Nội dung của chương 2 sẽ học những phần nào trong sơ đồ khối hệ thống

thông tin số? Nội dung của các khối đó

2.2 Có mấy dạng bộ mã hóa nguồn? Bộ mã hóa dạng sóng là gì, phương thức

mã hóa của nó?

2.3 Có mấy dạng bộ mã hóa nguồn? Bộ mã hóa nguồn phát thanh là gì, phương

thức mã hóa của nó?

2.4 Có mấy dạng bộ mã hóa nguồn? Bộ mã hóa lai ghép là gì, phương thức mã

hóa của nó?

2.5 Có mấy đặc trưng cơ bản của tiếng nói? Trình bày đặc trưng về xác suất? 2.6 Có mấy đặc trưng cơ bản của tiếng nói? Trình bày đặc trưng về tương

quan?

2.7 Có mấy đặc trưng cơ bản của tiếng nói? Trình bày đặc trưng về phổ?

2.8 PCM là gì? Nguyên tắc cơ bản của PCM?

2.9 Có mấy bước trong kỹ thuật điều xung mã? Đó là những bước nào? Trình

bày bước 1?

2.10 Có mấy bước trong kỹ thuật điều xung mã? Đó là những bước nào? Trình

bày bước 2?

2.11 Có mấy bước trong kỹ thuật điều xung mã? Đó là những bước nào? Trình

bày bước 3?

2.12 Có mấy bước trong kỹ thuật điều xung mã? Đó là những bước nào? Trình

bày bước 4?

2.13 Thế nào là lượng tử hóa đều? Phân biệt với lượng tử hóa không đều?

2.14 Thế nào là lượng tử hóa không đều? Phân biệt với lượng tử hóa đều?

2.15 Kỹ thuật DPCM là gì? Có mấy bước trong kỹ thuật này? So sánh với kỹ thuật

PCM?

2.16 Kỹ thuật DPCM có bộ dự đoán là gì? Có mấy bước trong kỹ thuật này? So

sánh với kỹ thuật PCM?

2.17 Kỹ thuật DPCM có bộ dự đoán là gì? Có mấy bước trong kỹ thuật này? So

sánh với kỹ thuật DPCM?

2.18 Bộ dự đoán trong DPCMP là gì? Nguyên lý hoạt động của nó?

2.19 Bộ dự đoán trong ADPCMlà gì? Nguyên lý hoạt động của nó?

2.20 Kỹ thuật ADPCM là gì? Có mấy bước trong kỹ thuật này? So sánh với kỹ

thuật PCM?

2.21 Kỹ thuật ADPCM là gì? Có mấy bước trong kỹ thuật này? So sánh với kỹ

thuật DPCM?

2.22 Kỹ thuật ADPCM là gì? Có mấy bước trong kỹ thuật này? So sánh với kỹ

thuật DPCM có bộ dự đoán?

2.23 Kỹ thuật DM và ADM là gì?

2.24 Trình bày ưu điểm của thông tin số so với thông tin tương tự?

2.25 Trình bày nhược điểm của thông tin số so với thông tin tương tự? Cách

khắc phục các nhược điểm đó?

Đề bài tính toán số 2.01: Cần truyền một tín hiệu tương tự qua mạng thông tin số Biết:

- Tín hiệu tương tự có các thành phần phổ nằm trong băng tần từ 300 ÷4000 Hz

- Dải biên độ của tín hiệu là Umin  Umax là từ: 0 (mV) đến 110 (mV)

- Hệ thống sử dụng Bộ chuyển đổi AD với 10 bit tuyến tính

2.26 Xác định tần số lớn nhất của tín hiệu

2.27 Xác định kích thước bước lượng tử?

2.28 Để giảm số bit trong một từ mã có thể sử dụng kỹ thuật lượng tử hóa phi

tuyến theo luật A, tính hệ số nén hoặc dãn tín hiệu của kỹ thuật này?

2.29 Tính tốc độ bít và độ rộng băng tần tối thiểu thực tế của kênh để truyền tín

hiệu trên?